【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 題目 Q235 厚板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬 學(xué)生姓名 劉武超 學(xué)號(hào) 2020206107 專(zhuān)業(yè) 材料成型及控制工程 班級(jí) 20202061 指導(dǎo)教師 評(píng)閱教師 完成日期 2020 年 5 月 15 日 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué) 位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送 交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密 □，在 _________年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 不保密 □。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打 ―√‖） 作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目錄 摘要 .................................................... 4 前言 .................................................... 5 1 緒論 .................................................. 6 課題來(lái)源和意義 ........................................ 6 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ........................................ 7 研究的主要內(nèi)容 ........................................ 5 2 模擬分析過(guò)程 ................................................... 7 有限元分析軟件 ANSYS 簡(jiǎn)介 ............................... 7 有限元模型的建立 ...................................... 7 加載計(jì)算 .............................................11 3 模擬 結(jié)果 及 分析 .........................................15 溫度場(chǎng)模擬 ...........................................15 應(yīng)力場(chǎng)的模擬 ................................................. 17 4 全文總結(jié)與展望 .........................................22 全文總結(jié) .............................................22 未來(lái)的展望 ...........................................22 致謝 ....................................................24 參考文獻(xiàn) ......................................................... 25 附錄 ............................................................. 27 Q235 厚板焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬 學(xué)生：劉武超 指 導(dǎo)教師：余海洲 （三峽大學(xué) 機(jī)械與材料學(xué)院） 摘要 ： 本文首先綜述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接殘余應(yīng)力研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上提出了本文的研究目的和意義。運(yùn)用有限元軟件 ANSYS 的 APDL 語(yǔ)言編寫(xiě)模擬焊接瞬態(tài)過(guò)程程序進(jìn)行熱 結(jié)構(gòu)耦合分析，對(duì) Q235 鋼、鋼兩種材料之間的對(duì)接接頭的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到溫度和殘余應(yīng)力在接頭的連續(xù)分布規(guī)律：在接近焊縫較窄的一個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，在其相鄰區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力。 關(guān)鍵詞： 有限元 數(shù)值模擬 殘余應(yīng)力 溫度場(chǎng) Abstract:In this article, the development and present research situation of the welding residual stress have been critically overviewed ,base on this ,we bring up the purpose and sense of this on the hotstructure coupling analysis using the ANSYS APDL language simulation welding transient state process procedure,which to simulate analysis on the temperature and stress field of the lap joints of Q235 steel, steel between the two materials. then get the distribution of the temperature field and residual stress: There is a tension stress near the weld bead ,there is a press stress in other areas. Keyword: Finite element。 Numerical Simulation。 Residual stress。 Temperature field. 前言 焊接是一個(gè)涉及傳熱學(xué)、電磁學(xué)、材料冶金學(xué)、固體和流體力學(xué)等多學(xué)科交叉的復(fù)雜過(guò)程。由焊接產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程及其隨后形成的殘余應(yīng)力，是導(dǎo)致焊接裂紋和接頭強(qiáng)度與 性能下降的重要因素。迄今為止，焊接殘余應(yīng)力一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，仍是焊接生產(chǎn)領(lǐng)域中迫切需要解決的問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，取得了豐碩的成果。 中厚鋼板是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中不可缺少的重要材料，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、交通運(yùn)輸、能源、和建筑等重要國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門(mén)。鋼結(jié)構(gòu)體系具有自重輕、抗震性能優(yōu)、施工周期短、安裝速度快、投資回報(bào)快、綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，從一定程度上反映了國(guó)家的綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力和建筑技術(shù)的發(fā)展水平，得到了世界各國(guó)的廣泛的應(yīng)用和大力推廣，鋼結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用在歐美已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，其施工快、回 收利用便利等諸多優(yōu)點(diǎn)是其他結(jié)構(gòu)形成所無(wú)可比擬的，并逐漸成為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)的高效結(jié)構(gòu)體系。 本文通過(guò)用有限元方法模擬研究平板對(duì)接焊接焊縫溫度場(chǎng)分布、殘余應(yīng)力分布、溫度場(chǎng)與殘余應(yīng)力的關(guān)系，不僅可以從中得到焊接殘余應(yīng)力的影響因素，了解焊接殘余應(yīng)力在連續(xù)分布規(guī)律，全面掌握結(jié)構(gòu)的特性，而且可以通過(guò)優(yōu)化焊接方法、順序和工藝，控制（減小）焊接應(yīng)力和變形，另外還可以節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，有效地縮短研制和開(kāi)發(fā)周期，因此是一種高效低成本的優(yōu)化工藝的方法和預(yù)測(cè)與控制技術(shù)。 本文是本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，經(jīng)過(guò)作者閱讀了大量的文獻(xiàn)后獨(dú)立 完成的，其中部分觀點(diǎn)是引用三峽大學(xué)游敏教授等人的，由于本人的水平實(shí)在有限，還存在許多不足之處，希望各位批評(píng)指正。 1緒論 課題來(lái)源和意義 近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的逐漸攀升，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，國(guó)家對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也從限制使用改為鼓勵(lì)采用，為鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用與推廣營(yíng)造了良好的氛圍，特別是今年來(lái)我國(guó)可持續(xù)發(fā)展觀的提出，鋼結(jié)構(gòu)體系在我國(guó)的建筑產(chǎn)業(yè)中呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，近年來(lái)我國(guó)在沿海深厚軟土地區(qū)和 8 度地震區(qū)及以上高烈度區(qū)采 用高層鋼結(jié)構(gòu)形式獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。鋼結(jié)構(gòu)體系在建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)中的日益普及應(yīng)用迅速帶動(dòng)了機(jī)械制造、金屬制作加工等行業(yè)的發(fā)展，焊接技術(shù)作為為鋼結(jié)構(gòu)三大連接（焊接、栓接、鉚接）中最主要的連接手段，因其不削弱構(gòu)件截面的特點(diǎn)，成為了鋼構(gòu)件、金屬加工中理想的連接方式。并且焊接技術(shù)工藝的飛速更新發(fā)展使這一連接技術(shù)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，但卻致使鋼結(jié)構(gòu)焊縫中的焊接殘余應(yīng)力成為影響構(gòu)件變形、穩(wěn)定性和脆性斷裂不可忽略的因素。而構(gòu)件中的縱向殘余應(yīng)力和作為彈塑性材料的鋼材本身的性能是分析鋼結(jié)構(gòu)彈塑性問(wèn)題的兩個(gè)重要的考慮因素 。 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接加工過(guò)程中，焊接是一種易產(chǎn)生殘余應(yīng)力的加工工藝，其表現(xiàn)最為明顯，一般在焊接后的冷卻過(guò)程中就伴隨著明顯的收縮變形和殘余應(yīng)力，其產(chǎn)生情況會(huì)因焊接件的形狀、尺寸和所選用的焊接方法等的不同而異。近年來(lái)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的事故分析表明，焊接區(qū)的鋼材，尤其是處于三向受拉狀態(tài)的焊接熱影響區(qū)得鋼材，韌性大幅降低。當(dāng)板件較厚時(shí)因坡口焊縫收縮受到很大約束而出現(xiàn)三軸殘余拉應(yīng)力引起的脆性斷裂，正是出于鋼構(gòu)件在焊接加工過(guò)程中，產(chǎn)生了接近屈服極限的殘余應(yīng)力。構(gòu)件中的殘余應(yīng)力大多數(shù)表現(xiàn)出很大的危險(xiǎn)作用，如使構(gòu)件的強(qiáng) 度降低、降低構(gòu)件疲勞極限、造成應(yīng)力腐蝕和脆性斷裂，由于殘余應(yīng)力的松弛，使構(gòu)件產(chǎn)生變形，影響構(gòu)件的尺寸精度，以往的研究表明影響鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂的因素是多方面的，與焊縫自身的缺陷、焊縫周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)得分布對(duì)鋼材材質(zhì)的脆性影響以及應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的分布及大小有密切的關(guān)系，而根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，殘余應(yīng)力對(duì)于裂紋的擴(kuò)展有著重要的影響，因此正確的評(píng)估和降低焊接所造成的構(gòu)件殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系工作性能的影響，就顯得十分必要 [16]。 焊接殘余應(yīng)力是影響焊接結(jié)構(gòu)后焊接部件的脆性斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、壓曲穩(wěn)定性、振動(dòng) 特性和耐腐蝕性能的重要因素；同時(shí)，殘余應(yīng)力的存在，還嚴(yán)重的影響了結(jié)構(gòu)的機(jī)加工精度和尺寸穩(wěn)定性。因此對(duì)焊接殘余應(yīng)力的形成機(jī)理、分布規(guī)律及其測(cè)試技術(shù)的研究是和焊接結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要方面，也一直吸引著世界范圍內(nèi)焊接專(zhuān)家、學(xué)者 的注意力。通過(guò)多年的研究，到 20 世紀(jì) 70 年代初期，大致奠定了焊接殘余應(yīng)力和變形理論的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，焊接加熱過(guò)程中焊縫和近縫區(qū)內(nèi)因其膨脹受制而產(chǎn)生的塑性壓縮應(yīng)變是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。我校游敏教授通過(guò)多年的研究分析，認(rèn)為除了母材中的塑性壓縮變形引起焊接殘余應(yīng)力之外，焊縫金屬冷卻時(shí)的收縮受到制約也是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因，并據(jù)此原理開(kāi)發(fā)了調(diào)控焊接接頭橫向殘余應(yīng)力的新技術(shù) [7]。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)在殘余應(yīng)力領(lǐng)域的研究起步較晚，上世紀(jì)八十年代的殘余應(yīng)力早期研究學(xué)者張錠全作了殘余應(yīng)力、表面強(qiáng)化和金屬疲勞方面的研究，其研究課題 “ 缺口殘余應(yīng)力集中及其對(duì)疲勞性能的影響 ” 表明疲勞性能不僅與殘余應(yīng)力的分布和大小、材料的彈性性能、外來(lái)作用應(yīng)力的狀態(tài)有關(guān)，還與殘余應(yīng)力的發(fā)生過(guò)程有關(guān)，而在研究這些影響的過(guò)程中給予定量的估計(jì)其影響是及其困難的。 近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者于各自不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域（包括建筑結(jié) 構(gòu)、金屬制作加工等）對(duì)鋼構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力的分卸特點(diǎn)、規(guī)律以及其對(duì)構(gòu)件屈曲、穩(wěn)定的影響和焊接接頭的疲勞性能等方面作了廣泛的研究。文獻(xiàn) [8][9][10]對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊件中殘余應(yīng)力的分布形成、分布等進(jìn)行了探討和研究，得到了焊件表面和中部不同的殘力分布和擬合曲線，并分析了不同分布形式對(duì)構(gòu)件承載力的影響。天津大學(xué)做了提高焊接接頭疲勞性能的技術(shù)研究，提出焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題以及研究的意義，進(jìn)行了系統(tǒng)的疲勞失效原因分析，論述了應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響。天津大學(xué)材料學(xué)院設(shè)計(jì)和優(yōu)化研制了低相變點(diǎn)焊條，并在各種焊接接 頭上進(jìn)行了大量的疲勞試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，相變點(diǎn)焊條 LTTE 接頭的疲勞強(qiáng)度分別比普通焊條 E5015 接疲勞強(qiáng)度提高 11%、23%、 42%、 46%和 59%疲勞